一種彈載低剖面高集成雷達結構設計

洪肇斌，汪旭宏，劉 琳，周織建

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽合肥 230088）

0 引 言

彈載雷達系統是導彈精確制導系統的重要組成部分［1-2］，安裝于導彈內部，結構尺寸和重量都受導彈平臺的嚴格限制，同時在飛行中需要承受強烈的振動環境考驗［3-5］。為了降低雷達天線單元的剖面，采用盲配連接器替代傳統的線纜連接、磚式相控陣架構發展為瓦片式相控陣架構均為常見的做法［6-9］，實際應用中需要嚴格控制精度才能保證連接可靠性。為了提升性能，彈載雷達系統中大規模應用大功率電子器件和集成電路，熱耗集中；而導彈飛行中的氣動加熱使得彈載雷達系統工作初始溫度一般較高，同時受平臺限制，無法采用風冷和液冷散熱，使得彈載雷達系統面臨嚴峻的散熱問題［10-12］。因此在彈載雷達系統結構設計過程中需要綜合考量輕小型化、系統結構剛強度以及散熱的需求。本文針對彈載設計需求，提出了一種基于彈載環境的低剖面高集成雷達結構設計。

1 結構設計方案

1.1 系統架構

彈載雷達主要由天線單元、綜合射頻單元、綜合處理單元和電源單元4部分組成，天線單元作為系統的收發單元，負責系統的信號發射與接收，與綜合射頻單元形成完整的收發系統；綜合射頻單元由收發通道和頻率源組成，主要負責信號的識別與決策；綜合處理單元主要功能完成信號的采集與處理，進而獲得理想回波信號，并同時抑制噪聲和雜波；電源單元則是給整個雷達系統進行供電，主要包括陣面發射電源和數字系統供電電源。其中天線單元包括一體化片式可擴充天線模塊（Tile Scalable Array Module,T-SAM）、驅放模塊和天線防護罩等組成。雷達系統在厚度Y方向進行功能分區分為前端天線單元和后端處理單元。系統外形和系統組成分別如圖1（a）、（b）所示。

圖1 系統外形與系統組成圖

1.2 主框架結構

系統高集成、輕小型化、高可靠、良好的力、熱環境適應性等是彈載產品的主要特點。戰場電磁環境的日益復雜必然會導致在體積受限的環境中，高集成和輕小型化顯得尤為重要，而戰場形勢的瞬息萬變也要求彈載產品在復雜熱力環境下必須具有高可靠性能和環境適應性。本系統通過多型高密混頻盲配互聯結構實現各功能單元無纜連接，提高小空間的填充率；熱力耦合一體化設計，實現小空間高可靠的集成，具備良好的力學和溫度環境適應性。

天線陣面采用片式T/R 組件表貼大面積接地焊接結構，同時將天線輻射陣面、射頻饋電網絡、電源分配網絡和波控分配網絡通過多層板集成，形成一體化片式可擴充天線模塊（T-SAM）。每個T-SAM 上集成了12 個片式T/R 組件、1 個射頻連接器和3 個低頻連接器，如圖2所示。通過T-SAM 結構的運用，系統天線陣面的剖面高度得到極大的降低；同時天線陣面具備二維拓展功能，可以通過改變T-SAM的數量來變換天線陣面的口徑。

圖2 T-SAM模塊外形圖

系統設計采用一個主框架，是系統的主承力結構、主散熱結構及定位基準，承載各功能單元。主框架設計選用高強度的鋁合金6061-T6，增加壁厚并減重，在保證設備安裝的前提下，設計加強筋提高結構穩定性，提高整體結構剛度增強抗振能力，其外形如圖3（a）、（b）所示。

圖3 主框架結構外形圖

1.3 高低頻盲配設計

由于雷達系統單元間距小、集成度高、連接通路多，在結構設計過程中多處選擇了盲配實現各級模塊之間的射頻及低頻互聯，各功能單元間的盲配關系如圖4所示。系統中選用的射頻盲配連接器的允許配合間隙均為0.25 mm；低頻盲配連接器的允許配合間隙分為兩種形式，一種是帶浮動量的，允許配合間隙為0.25 mm；另一種為不帶浮動量的，允許配合間隙為0.1 mm。

圖4 雷達系統盲配示意圖

系統主要的射頻盲配連接如表1所示。

表1 系統主要射頻盲配連接

系統主要的低頻盲配連接如表2所示。

表2 系統主要低頻盲配連接

通過以上分析可以看出，系統采用的高低頻混合盲配互連設計方案可以有效控制公差，保證互連的可靠性。

2 熱設計與仿真

2.1 熱設計

雷達系統在實際工作中，受環境限制，僅能依靠結構件熱容吸熱（輻射散熱可忽略），無法通過其他方式散熱。同時，天線陣面前端外部環境溫度最高達到350 ℃，因此在天線陣面前端設置隔熱透波的天線罩。雷達系統的散熱途徑如圖5所示。

圖5 系統傳熱路徑示意圖

工作狀態下，雷達系統處于高溫背景，為實現隔熱，同時滿足重量和電性能要求，設計采用石英/聚酰亞胺復合材料+內部納米氣凝膠制造天線罩。隔熱的同時需要增強雷達系統內部有效熱容量和優化導熱路徑，利用器件殼體以及結構件自身的熱容吸收發熱器件的熱量，從而降低發熱器件的溫升，使其在要求的溫度范圍內工作。主要通過兩個途徑實現：

1）在允許的情況下盡量加大金屬結構件的重量以增加整體熱容，如在滿足整機重量要求的前提下，適當增加主體框架的重量和體積，增加剛強度的同時，可以抑制器件工作時溫升。

2）優化天線單元內部的導熱路徑，如減少散熱路徑和縮短導熱路徑，增加接觸面積、降低表面粗糙度以減小接觸熱阻等方式，盡量保證熱量更快地能被外圍結構件和安裝板吸收。

2.2 仿真分析

2.2.1 仿真條件

發射工作時間2 100 s，環境初始溫度不大于50 ℃，一次連續工作時間（測高5 s/成像10 s），間斷開機，從0 到2 100 s 平均間隔分布，累積工作時間90 s。

2.2.2 仿真結果

雷達系統初始工作溫度設定為50 ℃，連續工作2 100 s，圖6和圖7分別給出了2 100 s 時刻，天線陣面溫度分布和組件溫度分布情況。可以看出，在2 100 s 時刻，陣面最高溫度為158.5 ℃，此時天線罩外側溫度為350 ℃，因此，天線罩起到了顯著的隔熱作用。陣面組件最高溫度為107.7 ℃，最低溫度為101.0 ℃，均低于芯片的Ⅱ級降額溫度上限125 ℃；陣面組件最大溫差為6.7 ℃。滿足發熱功能器件的溫度梯度不大于15 ℃的要求。

圖6 天線陣面溫度分布

圖7 陣面組件溫度分布

電源單元內部器件溫度分布如圖8所示，圖中上面4 個模塊殼溫耐受極限為105 ℃，下面3 個模塊耐受結溫為125 ℃。所有器件溫度均能滿足器件耐受極限。

圖8 電源單元內部器件溫度分布

綜合處理單元內部器件溫度如圖9所示，溫度均在指定工作溫度范圍（-40～85 ℃）內，符合降額要求。

圖9 綜合處理單元內部器件溫度分布

綜合射頻單元內部熱耗較高的模塊主要是收發通道模塊和驅放模塊，兩者的溫度仿真結果如圖10所示。從圖10可以看出，收發通道模塊溫度最高為78.5 ℃，滿足GaN芯片的使用要求。

圖10 綜合射頻單元溫度分布圖

3 力學分析

為驗證雷達系統的結構強度和剛度，本文對雷達系統在總均方根值18.5g的XYZ三個方向隨機振動載荷作用下的力學性能進行仿真分析。系統中各承力部件材料特性參數如表3所示。

表3 材料特性

3.1 隨機振動分析

圖11～13 分別展示了雷達系統在X向、Y向和Z向隨機振動條件下的應力云圖和應變云圖。

圖11 X向隨機振動時應力/應變云圖

圖12 Y向隨機振動時應力/應變云圖

圖13 Z向隨機振動時應力/應變云圖

通過分析可知3 個方向最大應力值分別為106.05 MPa，81.36 MPa 和95.01 MPa，出現在主框架的安裝支耳處；X向、Y向和Z向最大應變分別為0.020 mm，0.013 mm 和0.079 mm 位于前端天線陣面。主框架的材料為6061-T6 鋁合金，材料屈服強度245 MPa，安全裕度為0.73＞0.2，強度滿足設計要求。天線輻射面最大相對變形0.079 mm＜0.1 mm，滿足天線輻射面變形設計要求。

3.2 模態分析

雷達系統在安裝狀態下的模態如圖14所示。

圖14 模態分析結果

通過分析可知，雷達系統的前4階頻率分別為258.85 Hz，394.81 Hz，434.10 Hz，479.51 Hz，遠高于一般彈載平臺（一般約為10～100 Hz），可有效避免系統諧振。

4 結束語

針對空間尺寸和重量嚴格受限的設計需求，本文提出了一種低剖面高集成的彈載雷達系統結構設計方法，并進行盲配精度控制分析，熱和力學仿真分析。結果表明，將前端天線融合形成一體化片式可擴充天線模塊，后端各功能單元基于同一框架進行優化構型、前后分腔、機電熱耦合一體化設計，模塊之間采用混頻盲配互連，實現了系統剖面高度顯著降低，盲配連接可靠，熱、力環境適應性滿足設計需求。本文的設計方法可推廣應用于其他對輕小型化要求高的有源相控陣雷達。